Doppelbrechung

Doppelbrechung, auch Birefringence genannt, ist eine optische Erscheinung, bei der ein durch ein anisotropes Medium einfallender Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird, die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit und Polarisationszustände besitzen. In kristallinen Materialien mit einer anisotropen Struktur führt dies dazu, dass dem Strahl zwei Bilder oder Interferenzmuster erscheinen, sofern der Strahl durch Polarisationselemente geführt wird.

Ursache ist die Abhängigkeit des Brechungsindex von Polarisation und Ausbreitungsrichtung. In Kristallen mit optischer Anisotropie unterscheidet man gewöhnlichen Strahl (o-Strahl) und außerordentlichen Strahl (e-Strahl). In uniaxialen Kristallen gibt es eine einzige optische Achse; der o-Strahl hat den Brechungsindex n_o und bleibt in seiner Richtung unberührt, der e-Strahl hat einen richtungsabhängigen Brechungsindex n_e. In biaxialen Kristallen treten zwei optische Achsen auf. Der Unterschied Δn = n_e − n_o bestimmt die Stärke der Doppelbrechung.

Beobachtung und Messung erfolgen häufig mit Polarisationsfiltern. Zwischen polarisiertem Licht und Analysator erscheinen zwei überlagerte Bilder; durch Einfügen eines Retardationsfilters oder einer Verschiebung des Analysators lässt sich die retardierte Phasenlage δ = 2πΔn d/λ bestimmen, wobei d die Dicke des Kristalls und λ die Wellenlänge ist. Doppelbrechung ist besonders auffällig in Kalkspat (Calcit) und wird in der Polarisationmikroskopie der Mineralogie, in der Photoelastizität zur Spannungsanalyse und in optischen Bauelementen wie Wendeln- oder Phasenretardern genutzt. Historisch wurde die Erscheinung erstmals bei Calcit beobachtet; später wurden ihre Ursachen durch die Theorie der anisotropen Optik erklärt.